ПРИКЛАДНОЙ ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ "ELCUT"

ПРИКЛАДНОЙ
ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ
"ELCUT"
Характеристика пакета
это современный комплекс
программ
для
инженерного
моделирования
электромагнитных,
тепловых и механических задач методом
конечных элементов.
• ELCUT- это полноценное Windows
приложение,
которое
разработано
специально для этой платформы и
полностью использует все преимущества
современных компьютеров.
• ELCUT -
Получить пакет ELCUT
• Для применения пакета ELCUT его
нужно установить на персональный
компьютер.
Пакет
ELCUT
в
студенческом
варианте
распространяется
бесплатно.
Его
можно скачать на сайте производителя:
www.elcut.ru
Архитектура"ELCUT"
Типы документов
ELCUT
1. Описание задачи. Этот документ содержит
такие общие характеристики, как тип задачи
(«Электростатика»,
«Магнитостатика»,
«Теплопередача»), класс модели (плоская или
осесимметричная), а также имена других
документов,
ассоциированных
с
данной
задачей.
2. Геометрическая модель. Этот документ
содержит полное описание геометрии задачи,
метки различных её частей и расчетную сетку
конечных элементов.
3. Физические свойства или Данные. Эти
документы
содержат
значения
свойств
материалов, источников поля и граничных
условий для разных помеченных геометрических
объектов модели. Документ свойств может быть
использован как библиотека материалов
для различных задач.
Возможности пакета
•ELCUT позволяет решать задачи по следующим
темам:
– Электростатика;
– Электрическое поле переменных токов в
неидеальном диэлектрике;
– Растекание токов в проводящей среде;
– Линейная и нелинейная магнитостатика;
– Магнитное поле переменных токов (с учетом
вихревых токов);
– Нестационарное магнитное поле;
– Линейная и нелинейная, стационарная и
нестационарная теплопередача;
–
Линейный
анализ
напряженнодеформированного состояния;
– Связанные задачи.
Применение пакета
ELCUT широко используется в научных
исследованиях,
промышленности
и
образовании.
• Академические
и
прикладные
научные
центры используют его при моделировании
физических
задач,
связанных
с
электромагнитными полями, электрическими
токами, температурными полями, упругими
напряжениями и деформациями, которые
возникают в самых различных направлениях
научных исследований.
• Промышленные предприятия применяют
ELCUT:
для расчета электромагнитных параметров и
тепловых режимов электрических машин,
анализе магнитного
поля
существующих
машин,
либо
при
расчёте
машин
нетрадиционных конструкций;
для
анализа
электрического
поля
в
высоковольтных
вводах,
обмотках,
изоляционных системах используется при
проектировании силовых трансформаторов и
других высоковольтных аппаратов.
• При
обучении
студентов
его
используют
при
изучении
таких
дисциплин как:
• теоретические основы электротехники
(ТОЭ),
электрические
машины,
изоляция,
электротехнологии,
электроприводы,
энергообеспечение
предприятий,
электромеханика,
автоматизация,
системы
автоматизированного проектирования
(САПР) и других.
Основы математического
описания
•Основой
математического
описания
электромагнитных
полей
являются
уравнения Максвелла.
•Он вывел их с помощью аппарата
векторного
анализа,
показав,
что
переменные электрическое и магнитное
поля
находятся
в
неразрывной
взаимосвязи,
совокупность
которых
представляет
собой
единое
электромагнитное поле.
Основные вектора
• Основными векторами, характеризующими
электромагнитное поле, являются:
Вектора
индукции B
и
напряженности
магнитного поля;
H
Вектора
смещения D
напряженности
электрического поля;
и
E
Вектор плотности
тока.
J
электрического
Уравнения Максвелла
• Первое уравнение Максвелла
D
rotH  J 
,
t
• Второе уравнение Максвелла
•
B
rotE   ,
t
Третье уравнение Максвелла
divB  0,
• Четвертое уравнение Максвелла
divD  r ,
Физические пояснения
•Первое уравнением Максвелла гласит:
Вихрь магнитного поля создается полным
током, определяемым плотностью тока
проводимости и тока смещения .
Ток смещения, введенный Максвеллом,
возникает под действием изменяющегося во
времени
электрического поля. Этот ток,
протекая в диэлектрике в процессе его
поляризации, создает собственное поле.
• Второе уравнение Максвелла отражает
закон
электромагнитной
индукции,
открытый впервые в 1831 году Фарадеем.
• Это уравнение говорит, что любое
изменение индукции магнитного поля
приводит к возникновению вихревого
электрического поля с электрической
напряженностью
E
• Третье уравнение Максвелла – это
уравнение непрерывности.
• Оно означает, что нет истоков магнитного
поля, нет магнитных зарядов, что линии
магнитного поля являются замкнутыми. Это
уравнение
является
математической
формулировкой
взглядов
Фарадея,
поддержанных
Максвеллом
и
заключающихся
в
том,
что
линии
магнитного поля всегда замкнуты или, по
крайней мере, не имеют ни начала, ни
конца.
• Четвертое
уравнение
Максвелла
означает,
что
электрическое
поле
образуется зарядами, плотность которых
равна r, и линии этого поля начинаются и
кончаются на этих зарядах.
• Это
уравнение
часто
называют
дифференциальной
формой
электростатической теоремы Гаусса.
Компонентные уравнения
• Четыре
топологических
уравнения
Максвелла
дополняются
обычно
компонентными уравнениями, связывающими
между
собой
значения
векторов
электромагнитного поля.
B  μH D  εE J  γE ,
Решение системы уравнений
Максвелла
• Уравнения
решаются
численными
методами.
• Применительно
к
задачам
электромеханики и энергетики широко
используют метод конечных элементов
(МКЭ).
• Этот метод является основой комплекса
программ ELCUT
Основные принципы работы
•Установка ELCUT
Профессиональная версия ELCUT, а
также
Студенческая
версия,
распространяемая
на
компакт-диске,
содержит
программу
автозапуска
Autorun.exe.
Студенческая версия ELCUT, свободно
загружаемая с сайта www.elcut.ru, не
содержит программы автозапуска.
Интерфейс ELCUT
Структура интерфейса
• В верхней части рабочего экрана
расположены главное меню и кнопки,
позволяющие
ускорить
работу
программы.
• Слева от рабочего окна располагается
задача, которая была активной на
момент
последнего
закрытия
программы (1).
• В правой части экрана находится справочная
панель (6), панель с подсказками, которая
сопровождает пользователя в течение всего
времени работы с системой, автоматически
вводя нужный раздел справки.
• Кнопка 2 позволяет приступить к созданию
новой задачи.
• Кнопка 3 позволяет открыть модель и
провести с ней редактирование.
• Кнопка 4 включает решатель программы для
решения задачи.
•Кнопка 5 позволяет просмотреть результат
решения задачи.
Главное меню
•Главное меню содержит подменю:
Файл, Правка, Вид, Задача, Сервис, Окна
и «?».
Каждое подменю имеет соответствующие
пункты. Если в конце названия пункта
имеется многоточие, то это означает, что за
ним следует окно диалога, предназначенное
для запроса дополнительной информации.
Выбор пункта меню осуществляется с
помощью мыши или ≪горячих≫ клавиш.
Создание задачи
• Чтобы создать новую задачу, выберите
позицию Создать из меню Файл и в
появившемся окне Новый документ
затем укажите Задача ELCUT в списке
предлагаемых типов документов.
•Нажмите кнопку Готово.
•Затем в появившемся окне Создание
задачи введите имя задачи и укажите
путь к папке в которой будут храниться
файлы задачи.
Открытая задача
• Открытая задача отображается в окне
описания задачи, которое расположено слева
от главного окна ELCUT.
• В окне описания задачи вы можете задавать
параметры задачи, такие как свойства
материалов, источники поля и граничные
условия.
• Дерево задачи показывает также имена
файлов, на которые ссылается описание
задачи.
• Ветви дерева "Физические свойства" и
"Библиотека свойств" содержат списки меток,
присвоенных блокам, вершинам и ребрам
модели.
Создание модели
• Создание
модели
начинается
с
описания
геометрии
конструкции
возбуждающей поле. Для этого нужно
правой кнопкой мыши щелкнуть по
полю Геометрия в дереве задачи в
раскрывшемся меню выбрать Открыть.
Описание геометрии модели
Поскольку файла с геометрической
модели еще нет , то появится окно с
соответствующим сообщением.
В данном случае следует щелкнуть по кнопке OK.
После чего откроется окно работы с моделью. Для
большего удобства Вы можете развернуть его на
весь экран
Описанию конструкции
• После того как создано поле для
геометрического
представления
модели, следует приступить к описанию
конструкции, возбуждающей поле. Для
этого, прежде всего, нужно поместить
указатель мышки над полем редактора,
запустить контекстную команду Сетка
привязки. На экран будет выведен
диалог
• Рекомендуется всегда использовать
режим привязки к сетке и выводить
саму
сетку
на
экран.
Команда
Масштабировать вместе с окном
включает или отключает изменение
видимого размера ячеек сетки в
процессе
масштабирования
изображения и позволяет определить
размеры расчетной области. Уточним,
что имеется в виду
• Как
известно,
распространение
электромагнитного поля в свободном
пространстве
неограниченно.
Естественно, что решить задачу для
бесконечного пространства численными
методами невозможно. Учитывая, что
напряженность электрического поля
быстро
падает
с
увеличением
расстояния от источника, вполне
достаточно, чтобы границы решения
задачи имели линейные размеры,
превышающие размеры источника поля
в 3-5 раз
Расчетная область
• Ограниченное
пространство,
для
которого производится расчет поля,
называется
расчетной
областью.
Расчетная
область
может
быть
выделена
любой
геометрической
фигурой: квадратом, прямоугольником
или окружностью (в зависимости от
геометрии задачи). Фигура строится из
отрезков линий, чаще всего прямых.
Эти линии принято называть ребрами.
Концы ребер называются вершинами.
Геометрия расчетной области
• Построение
геометрии
расчетной
области осуществляется с помощью
небольшого, но довольно простого и
гибкого инструментария. Как уже было
отмечено основными графическими
примитивами, которые можно строить
являются вершина, ребро, фигура
Инструменты для построения
расчетной области
• Все инструменты для построения
сосредоточены в панели Модель ,
которая выводится на экран только
после
активизации
(щелчка
мышкой по рабочей области)
графического редактора.
Графический редактор
Примечание
• Следует отметить, что ELCUT снабжен лишь
базовыми
возможностями
построения
двумерной графики. Его возможностей хватит
для построения несложного рисунка. Если
рисунок сложный, состоит из большого
количества элементов, то его проще
выполнить
в
специализированном
графическом пакете, например AutoCAD, а
затем импортировать в ELCUT. Для
импортирования нужно сохранить исходный
чертеж в формате DXF, после чего запустить
Файл / Импорт DXF.
1. Построение ребра
• Для создания нового ребра необходимо действовать по
алгоритму:
1. Нажмите кнопку на панели инструментов Вставлять
вершины и ребра или клавишу INS, чтобы перейти в
режим вставки.
2. Укажите раствор нового ребра в окне Раствор дуги
Выберите одно из значений, находящихся в
выпадающем списке (прямая линия, четверть круга,
половина круга, три четверти круга).
3. В начальной точке создаваемого ребра нажмите левую
кнопку мышки и не отпуская ее, перетащите указатель к
конечной точке. В процессе перетаскивания следует
обращать внимание на координаты текущей точки,
отображаемые в статус-строке в выбранных по чертежу
единицах измерения.
2. Построение вершины
• Чтобы создать новую вершину необходимо
действовать по алгоритму:
1. Выберите команду Вставлять вершины и
ребра на панели инструментов, чтобы
перейти в режим вставки.
2. Передвиньте указатель в мышки точку, где
нужно создать новую вершину, и дважды
быстро нажмите левую кнопку мыши.
Другой путь
•
•
Из меню Правка выберите Добавить
вершины
Введите координаты новой вершины
и нажмите кнопку Добавить.
3. Вставка фигуры.
• Вставка фигуры позволяет ускорить
процесс создания геометрии, путем
ввода стандартных геометрических
фигур: круга, прямоугольника, эллипса.
Их ввод осуществляется запуском
команды Добавить фигуру из панели
Модель. На экране появится диалог.
• После
выполнения
вышеперечисленных
процедур
построение геометрической модели
полностью завершено. Сохраняем ее
нажатием комбинации клавиш Ctrl+S,
либо через меню Файл. ELCUT
сохранит геометрическую модель с
расширением *.mod.
• Следующим этапом в создание модели
является связь физических свойств с
геометрическими объектами модели.
Описание физических свойств
модели.
• После того как геометрия модели определена,
осуществляют описание физических свойств
элементов и объектов модели.
• Проводится это в два этапа:
1. Необходимо
присвоить
имена
геометрическим объектам, с помощью меток;
2. Метки
необходимы
для
того,
чтобы
пользователь мог обращаться к конкретному
элементу модели для описания свойств его
материала, или описания источников поля, а
также граничных условий.
Пример задачи
• В данном случае блоками являются
область задачи, ограниченная квадратом
ABCD, область воздушного пространства,
охватывающего
диэлектрик
с
заключенными в него проводниками и
сами проводники.
• В рассматриваемой задаче содержатся
три материала с различными свойствами:
воздух, диэлектрик и проводники.
• Выберем следующие имена меток
Воздух, Диэлектрик, Провод, Шина.
Этап присвоение меток
•Для присвоения меток блокам необходимо:
1.Щелкнуть мышью внутри прямоугольника
ABCD. Блок станет выделенным заливкой
красного цвета.
2.Открыть
левой
кнопкой
меню
Правка/Свойства.
3. После появления формы Свойства
выделенных объектов, в окно Метка
поместите имя метки, в данном случае
Воздух.
4. На этом нажатием кнопки ОК следует
закончить диалог.
Точно так же нужно поступить с блоком
Диэлектрик.
Блокам Провод и Шина метки можно не
присваивать. Объясняется это тем, что
эти
блоки
представляют
собой
проводники.
Как
известно
электростатическое
поле
внутри
проводников
отсутствует,
т.е.
рассчитывать его нет смысла
В окне описания задачи в
разделе Метки блоков появятся
метки
• Кроме меток блоков нужно присвоить
метки ребрам а, в общем случае, и
вершинам. Метки рёбер используются
для задания граничных условий на
внешних
и
внутренних
границах
области. В данном случае нужно
задаются граничные условия для
ребер.
Метки рёбер
1. Щелкните ребро DA, правой кнопкой вызовете
контекстное меню, а в нем выберете Свойства
(Alt+Enter) и пометьте его как Лево.
2. Точно так же присвойте метки правому ребру
области задач. Назовите его, например, Право.
Правое и левое ребро, в дальнейшем, будет
рассматриваться как конденсатор, создающий
электрическое поле с напряженностью E. Верхнее
и нижнее ребро области в решении не участвуют,
и, поэтому, соответствующие им метки можно не
создавать.
3. Присвойте метки четырем ребрам диэлектрика.
Например, дайте им имена Диэлектрик, а
именно, Диэлектрик лево, Диэлектрик право,
Диэлектрик низ, Диэлектрик верх.
4. Присвойте метки верхнему и нижнему ребру
провода. Дайте им имена Верх провода и Низ
провода.
5. Таким же образом можно выделить
отдельные ребра шины и присвоить им
метки, но можно это сделать сразу для всех
ребер. Для этого удерживая кнопку Ctrl
выделите все ребра шины. Войдите в меню
Правка/Свойства (Alt+Enter) и пометьте все
4 ребра одной меткой Поверхность шины.
После того, как указанные метки будут созданы
к дереву задачи, добавятся метки с
флажками, означающими, что описание
меток не закончено.
Метки модели
Этап определения физических
свойств
• Для задания физических свойств,
дважды щелкнем в окне описания задачи
по метке Воздух.
• В появившемся окне Свойства метки
воздух
введем
диэлектрическую
проницаемость
воздуха
(εx=1)
и
плотность электрического заряда в
воздухе (для данной задачи ρ=0).
• Поскольку воздух это изотропный
диэлектрик, то его относительная
диэлектрическая
проницаемость
в
разных
направлениях
является
постоянной величиной, что ELCUT
отразит автоматическим появлением
εy=1.
• Рассматриваемую
задачу
удобно
решать
в
Декартовой
системе
координат, поэтому оставим раздел
Координаты без изменения
• То же самое необходимо проделать для
блока
Диэлектрик.
Разница
заключается только в том, что для него
εx=4.
• Обратите
внимание,
что
значки
стоящие рядом с именами меток, в окне
описания задачи, изменились. Это
говорит о том, что физические свойства
метки определены.
Граничные условия
• Для
того,
чтобы
смоделировать
эквивалентное поле создаваемое по
условию задачи внешним источником
будем считать, что оно создается
эквивалентным
конденсатором
образованным ребрами DA и DВ.
1. Определим эквивалентную плотность
зарядов на этих ребрах. Для этого на
ребре с меткой Лево задается граничное
условие Неймана
плотность зарядов на поверхности
определяют по формуле:
 = 0 E0
• Дважды
щелкнув
левой
кнопкой
мыши
на
соответствующем элементе дерева задачи, открывают
окно Свойства метки – Лево. Устанавливают флажок
Поверхностный заряд. Щелкнув левой кнопкой мыши
в графу, вводят с клавиатуры соответствующее число.
При вводе необходимо вводить числа через точку,
иначе система выдаст сообщение об ошибке. После
этого диалог для данной задачи завершается.
• Для метки Право, вводят заряд той же величины, но с
обратным знаком.
Ввод значения плотности
заряда
Потенциал ребер
• Для меток Верх провода и Низ провода
в окне Потенциал U запишем 10000 В.
• Потенциал ребра Поверхность шины
устанавливают равной нулю. Шина в
данном случае моделируется одним
ребром, поэтому потенциал вводится
один раз.
• В отличие от шины модель диэлектрика
образована четырьмя ребрами. В этом
случае нужно определить поверхностную
плотность
заряда
каждого
ребра
отдельно, хотя понятно, что на всех
ребрах она одинакова и так же равна
нулю
• После того, как
метки полностью
определены, вид флажков меток ребер
изменится
Создание сетки
• После того, как метки созданы и
определены, приступают к созданию
сетки. Сетка образована узлами. Линии,
соединяющие узлы делят всю область
задачи на отдельные участки, поле в
которых можно считать независящим от
координат.
Для
каждой
ячейки
программа
определяет
параметры
поля.
• Электрическое поле в проводниках
отсутствует, поэтому решение задачи
целесообразно проводить только для
диэлектриков, это позволит сэкономить
число ячеек сетки.
• Для того, чтобы создать сетку выделим
блок Воздух, и в контекстном меню
Построить сетку/в выделенных
блоках.
• Такую же процедуру проводят с блоком
диэлектрик.
• Шаг узлов программа создает
автоматически.
Решение задачи
• Для того что бы приступить к решению
следует нажать кнопку = (решатель
программы), расположенную на панели
инструментов.
• После двукратного щелчка по кнопке ДА
появится картина поля, точнее множество
эквипотенциалей.
• На
этом
решение
задачи
не
заканчивается.
Анализ результатов решения
•
Начинается процесс анализа решения,
который, состоит:
1. В определение ограничения на шаг сетки
на вид картины поля (т.е. в определение
точности решения).
2. В
определении
параметров
смоделированной
картины
поля
исследуемого объекта.
3. Для этого необходимо изменять исходные
данные в соответствие ТЗ, т.е. вернуться к
описанию задачи.
Открыть задачу
•
Для этого служит кнопка Открыть
модель
.
1. Для определения точности решения
необходимо уменьшить шаг сетки.
Если при этом у поверхности
проводников не происходит изменение
направления
поля,
то
решение
найдено достаточно точно.
2. Далее
определяют
требуемые
параметры.